化工基礎(chǔ)-例題答案

【例1-1（物料衡算）】

如圖所示，濃度為20%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同）的KNO3水溶液以1000kg/hr流量送入蒸發(fā)器，在某溫度下蒸出一部分水而得到濃度為50%的KNO3水溶液，再送入結(jié)晶器冷卻析出含有4%水分的KNO3晶體并不斷取走。濃度為37.5%的KNO3飽和母液則返回蒸發(fā)器循環(huán)處理，該過程為連續(xù)穩(wěn)定過程，試求：

1.結(jié)晶產(chǎn)品量P，水分蒸發(fā)量W；

2.循環(huán)母液量R，濃縮量S。

例題1-1圖A解：

1.衡算對(duì)象：總物料KNO3

衡算范圍：如圖所示的用一條封閉的虛線所包圍的部分

衡算基準(zhǔn)：單位時(shí)間--每小時(shí)

列方程：凡是穿過封閉虛線進(jìn)入的衡算范圍的物料為入；

凡是穿出封閉虛線排出的衡算范圍的物料為出；

總物料ΣMλ=ΣM出

則F=W+P

（1）

同理，對(duì)KNO3

0.2F=0×W+P（1-4%）

（2）

將（1）（2）代入數(shù)據(jù)后組成方程組

1000=W+P

0.2×1000=P（1-4%）

解這個(gè)方程組得：

P=208.3kg/hr

W=791.7kg/hr

2.衡算對(duì)象的基準(zhǔn)不變，改變衡算范圍如圖1-2B所示。

總物料S=R+P

KNO3

0.5×S=0.375×R+P（1-4%）

將上兩式代入數(shù)據(jù)聯(lián)解得：

R=766.6kg/hr

S=947.9kg/hr

例題1-1圖B

【例1-2(熱量衡算)】在一熱交換器中用壓強(qiáng)為136kpa的飽和蒸汽加熱298k的空氣，空氣流量為1kg/s，蒸汽的流量為0.01kg/s，冷凝水在飽和溫度381K下排出。若取空氣的平均比熱為1.005kJ/kg·k，試計(jì)算空氣出口溫度（熱損失忽略不計(jì)）。

例題1-2圖解：過程如圖所示：

數(shù)量基準(zhǔn)每秒鐘蒸汽、空氣的流量

溫度基準(zhǔn)取進(jìn)口空氣溫度298K，因而其焓為零，即H冷空氣=0

相態(tài)基準(zhǔn)壓強(qiáng)為136kpa的飽和蒸汽，查得其焓H蒸汽.281K=2690KJ/kg，同時(shí)查得H冷凝水281K=452.9KJ/kg

衡算范圍封閉虛線所示范圍對(duì)此連續(xù)穩(wěn)定過程ΣQ入=ΣQ出

其中：

ΣQ入=ΣQ蒸汽+ΣQ冷空氣=0.001×H蒸汽+1×H冷空氣

ΣQ出=ΣQ熱空氣+ΣQ冷凝水=1×1.005（T-298）+0.001×H冷空氣

T：熱空氣溫度

將數(shù)據(jù)代入解得T=320.3K【例1-3（單位換算）】已知,試將此壓強(qiáng)換算為SI單位。解：1公斤（力）等于1即1公斤（力）∴【例1-4（單位換算）】液體越過平頂堰上的液面高度可用以下經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算：式中，how—堰上液面高度,in；qv—液體體積流量，gal/min；lw—堰長，in試求流量為0.05m3/s的液體越過長度為21m=39.37in,1m3=264.2gal代入經(jīng)驗(yàn)式，【例題2-1】假如苯和甲苯在混合時(shí)沒有體積效應(yīng)。求在20℃時(shí)，600kg苯和200kg甲苯混合后混合物的密度。解一：設(shè)苯為組分1，甲苯為組分2，m1=600kg，m2=200kg，查得：，則則有：解二：設(shè)苯為組分1，甲苯為組分2，m1=600kg，m2=200kg，查得：例題2-2：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔塔頂真空表讀數(shù)為80kPa，在天津操作時(shí)，真空表讀數(shù)應(yīng)為多少？已知蘭州地區(qū)的平均大氣壓85.3kPa，天津地區(qū)為101.33kPa。（答案見PPT）【例題2-3】：水在附圖所示的水平管內(nèi)流動(dòng)，在管壁A處連接一U形管壓差計(jì)，指示液為汞，密度為13600kg/m3，U形管開口右支管的汞面上注入一小段水（此小段水的壓強(qiáng)可忽略不計(jì)），當(dāng)?shù)卮髿鈮篜a為101.33Pa，水的密度取1000kg/m3，其它數(shù)據(jù)見附圖，求A處的絕對(duì)壓強(qiáng)為多少Pa？（1）取U形管中處于同一水平面上的B、C、D三點(diǎn)，根據(jù)等壓點(diǎn)的判定條件可得到PB=PC，PC=PD，于是可得PB=PC=PD（2）根據(jù)靜力學(xué)基本方程式可得：PD=Pa+RHg=Pa+0.25Hg=PBPA=PB+hH2O=PD+hH2O=Pa+0.25Hg+0.20g于是A處的絕對(duì)壓強(qiáng)：PA=101330+0.25×13600×9.81+0.20×1000×9.81=136646Pa=136.646kPa【例2-4】某流化床反應(yīng)器上裝有兩個(gè)U型管壓差計(jì)，測得R1=400mm，R2=50mm，指示液為水銀。為防止水銀蒸氣向空中擴(kuò)散，于右側(cè)的U型管與大氣連通的玻璃管中灌入一段水，其高度R3=50mm，試求A\B兩處的表壓強(qiáng)。解：如圖所示：取等壓面1-1’和2-2’，則【例題2-5確定流體流量】在某水平通風(fēng)管段中，管直徑自漸縮到。為了粗略估算其中空氣的流量，在錐形接頭兩端分別測得粗管截面1-1的表壓為，細(xì)管截面的表壓為?？諝饬鬟^錐形管的能量損失可以忽略，求空氣的體積流量為若干？（設(shè)該物系可按不可壓縮流體處理，空氣密度取為）解：在1-1和2-2截面（水平管的基準(zhǔn)面取通過管中心線的水平面）間列柏氏方程得：式中：因?yàn)槭撬焦?，……………【例題2-6確定容器相對(duì)位置】用虹吸管從高位槽向反應(yīng)器加料，高位槽和反應(yīng)器均與大氣連通，要求料液在管內(nèi)以的速度流動(dòng)。設(shè)料液在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的能量損失為（不包括出口的能量損失），試求高位槽的液面應(yīng)比虹吸管的出口高出多少？解：取高位槽液面為1-1截面，虹吸管出口內(nèi)側(cè)截面為2-2截面，并以2-2為基準(zhǔn)面。列柏氏方程得：式中：（表壓），，∵1-1截面比2-2截面面積大得多，∴，而代入得：∴

（即高位槽液面應(yīng)比虹吸管出口，高）值得注意的是，本題下游截面2-2必定要選在管子出口內(nèi)側(cè)，這樣才能與題給的不包括出口損失的總能量相適應(yīng)?！纠}2-7】內(nèi)徑25mm的水管,水流速為1m/s,水溫20度,求:1.水的流動(dòng)類型;2.當(dāng)水的流動(dòng)類型為層流時(shí)的最大流速?解：1.20℃μ=1cPρ=998.2kg【例題2-8】20℃的甘油在1″管中以0.2m/s流速流動(dòng)，求流過每米管長時(shí)的摩擦阻力。20℃時(shí)甘油的粘度為1499厘泊，比重為1.26，1"管的規(guī)格為φ33.5×3.25解：當(dāng)流速為0.2m/s時(shí)，求得：Re=dvρ/μ=(0.027×0.2×1260)/(1499×10-3)=4.54流動(dòng)型態(tài)為層流，流過每米管長時(shí)的阻力損失為：【例題2-9

流動(dòng)阻力計(jì)算】用φ108*4的鋼管輸送原油，輸送量19T/hr，d原=0.90,μ原=72Cp.原油從起點(diǎn)站油泵出口壓力為61kg/cm3（表），終到處壓力為1kg/cm3（表），若管子是水平安裝的，局部阻力以直管阻力的10%計(jì)，試求原油輸送的路程（輸油管長度）是多少？

解：原油在管中的流速u=w/(Aρ)=(1900/3600)/(0.785×0.12×900)=0.747m/s

由于Re=duρ/μ=(0.1×0.747×900)/(72×10-3)=933

所以管內(nèi)的流體流動(dòng)型態(tài)為層流

因而摩擦系數(shù)λ＝64/Re=64/933=0.069

據(jù)題意:∑le=l/10

:△Pf=λ·(l+∑le)/d

·(u2ρ/2)

(61-1)×9.81×104=0.069×(l+0.1l)/0.1

×

(0.7472×900)/2

解得：l≈31×103m【例題2-10】：用泵將地槽中比重為1.84的硫酸以1.3kg/s的流量送到貯罐中。地槽內(nèi)液面恒定，貯罐高出地槽液面12m，地槽和貯槽皆通大氣。輸送管道內(nèi)徑為25mm，流動(dòng)過程的能量損失為57.6J/kg，若泵的效率為50%，計(jì)算泵所需的功率。答案見PPT【例2-11】用離心泵將20℃的清水送到某設(shè)備內(nèi)，泵的前后分別裝有真空表和壓強(qiáng)表，如圖。已知泵吸入管路的壓頭損失為2.2m，動(dòng)壓頭為0.4m，泵的實(shí)際安裝高度為3.5m，操作條件下泵的必需汽蝕余量為2.5m，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?00kPa。求：1）離心泵入口處真空表的讀數(shù)；2）當(dāng)水溫由20℃升到60℃時(shí)發(fā)現(xiàn)真空表與壓強(qiáng)表讀數(shù)跳動(dòng)，流量驟然下降。試判斷處了什么故障。解：1）真空表讀數(shù)：以池內(nèi)水面0-0’和泵吸入口真空表處1-1’為截面，并以水池水面為基準(zhǔn)水平面，在兩截面之間列柏努利方程式：整理上式,得：2）判斷故障：當(dāng)水溫從20升到60時(shí)由于水的飽和蒸氣壓增大，使泵的允許安裝高度降低，對(duì)于已經(jīng)操作的泵，其安裝高度可能超高，會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。下面核算安裝高度。由附錄查飽和蒸氣壓，則泵的允許安裝高度應(yīng)為：泵的實(shí)際安裝高度大于允許安裝高度，故泵在保持原流量運(yùn)行時(shí)發(fā)生了汽蝕現(xiàn)象?！纠}3-1平壁導(dǎo)熱】加熱爐的平壁用耐火磚砌成，壁厚0.32m，測得壁的內(nèi)表面溫度為700℃，外表面溫度為100℃將t1=700℃，t2=100℃，λ=1.05w/m·k,b=0.32m代入：

q=Q/A={1.05(700-100)}/0.32=1969w/m2=7088KJ/m【例3-2多層平壁導(dǎo)熱】有一爐壁由下列三種材料組成：

耐火磚λ1=1.4w/m·℃b1=240mm

保溫磚λ2=0.15w/m·℃b2=120mm

建筑磚λ3=0.8w/m·℃b3=240mm

今測得內(nèi)壁面溫度為930℃，外壁面溫度為70解：△t1=Q·R1=677.17×0.171=115.△t1=t1-t2故t2=t1-△t1=930-115.80=814.2同理△t2=Q·R2=677.17×0.8=541.74△t2=t2-t3t3=t2-△t2=814.9-541.74=273.△t3=Q·R3=677.17×0.3=203.15℃

【例3-3】某平壁燃燒爐由內(nèi)層為100mm厚的耐火磚、中間為100mm厚的普通磚和外層為20mm厚的保溫層構(gòu)成。已知耐火磚的熱導(dǎo)率為1.05W/(m·℃)，普通磚的熱導(dǎo)率為0.8W/(m·℃)，待操作穩(wěn)定后測得爐壁的內(nèi)表面溫度為800℃，普通磚與保溫層之間的溫度為400℃，保溫層外表面溫度為70℃，求：1）單位面積上的導(dǎo)熱量；2）耐火磚與普通磚之間的壁面溫度；3）保溫層的熱導(dǎo)率解：已知t3=400℃,t4=70℃1)單位面積上導(dǎo)熱量2）耐火磚與普通磚之間壁面溫度t2由得：3）保溫層熱導(dǎo)率λ3由得

【例3-4單層圓筒壁導(dǎo)熱】

蒸汽管外徑48mm，包扎的石棉泥保溫層的λ為0.15w/mK,保溫層厚60mm。與蒸汽管子接觸的石棉層內(nèi)層壁面溫度為120℃,與周圍空氣接觸的外壁面溫度為30℃。試求每米管長因傳導(dǎo)而造成的熱損失速率。若保溫層加厚到120mm，這時(shí)外壁溫度隨之降至

當(dāng)保溫層加厚到120mm時(shí)，求得：Q/L=47.3w/m

【例3-5多層圓筒壁導(dǎo)熱計(jì)算】在一的鋼管外包有兩層絕熱材料，里層為的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)，外層為的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)?，F(xiàn)用熱電偶測得管內(nèi)壁的溫度為℃，最外層表面溫度為℃，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)。試求每米管長的熱損失及保溫層界面的溫度。 解：每米管長的熱損失此處，保溫層界面溫度解得：【例3-6】水以1m/s的流速在長3m的Φ25×2.5mm的鋼管內(nèi)由20加熱到40℃，試求管壁對(duì)水的對(duì)流傳熱系數(shù)。分析：計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)的公式較多，關(guān)鍵是選用合適的公式及查取公式中的各物理量。解：定性溫度，查30℃時(shí)水的物性數(shù)據(jù)為：特征尺寸：di=25-2×2.5=20mm=0.02m,則：0.7<Pr<160，水被加熱，n=0.4,故

【例3-7平均溫差計(jì)算】

例題：硫酸生產(chǎn)中SO2的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，用轉(zhuǎn)化氣在外部列管換熱器中預(yù)熱SO2氣體。若轉(zhuǎn)化氣溫度由440℃降至320℃，SO2氣體由220℃被加熱至280℃，試求流傳熱和逆流傳熱的平均溫度差（PPT）

【例3-8總傳熱系數(shù)K】計(jì)算夾套反應(yīng)釜的內(nèi)徑為800mm，釜壁碳鋼板厚8mm(λ=50w/m·k),襯搪瓷厚3mm（λ1.0w/m·k)，夾套中通入飽和蒸汽（α=10000w/m2·k)，蒸汽溫度為120℃，釜內(nèi)有機(jī)物（α=250w/m2·k)溫度為80解：因內(nèi)徑800mm≈外徑822mm，可近似地作為平面壁來處理。此時(shí)計(jì)算式為：

其中：α1=10000，α2=250，λ1=50,λ2=1.0，b1=0.008，b2=0.003以上均為SI制表示的。代入算得：K=137.7w/m2·k

【例3-9總傳熱計(jì)算】在列管式熱交換器中，用飽和溫度為126℃的蒸汽將470m3/hr的某一溶液從40℃加熱到45已知：水蒸汽α1=11600w/m2·K；某溶液α2=3700w/m2·K；ρ=1320kg/m3；Cp=3.4kJ/kg·K；解：以平均傳熱面積Am計(jì)算。（1）據(jù)式（3-29）某溶液470m3/hr由40℃升至45℃所吸收的熱量為：QL(2)△tm由于一側(cè)發(fā)生相變，故并流與逆流是相同的。126----------12640----------->45